Laserablation, Telluritglas und Dotierstoff Er2O3

In jedem System, egal wie komplex es ist, aus wie vielen Arbeitselementen es nicht bestehen würde, kann man immer ein grundlegend wichtiges Detail herausgreifen. In modernen Kommunikationssystemen bilden die Grundlagen häufig optische Fasern, mit denen Daten über große Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden können. Und alles wäre in Ordnung, wenn nicht der Slogan einiger Wissenschaftler wäre: "Die Welt ist in einem Fingerhut." Es ist nichts Falsches daran, die Größe eines Geräts minimieren zu wollen. Die Mini-Version sollte jedoch der Leistung des Originals nicht unterlegen sein, sondern diese möglicherweise übertreffen.

Um Signale innerhalb des Geräts zu übertragen, ist eine Begrenzung der erforderlichen Fasermenge erforderlich. Sie können es nicht einfach zuschneiden und alles wird genauso gut funktionieren. Aus diesem Grund begannen die Wissenschaftler, alternative Methoden und Materialien für die Übertragung von Signalen zu untersuchen, mit denen sich die Größe verschiedener Geräte verringern lässt. Flugzeugwellenleiterverstärker auf der Basis von ungewöhnlichem Glas sind zu einer der Entdeckungen in solchen Studien geworden. Jede Technologie muss jedoch eine lange Phase der Verbesserung durchlaufen. Heute werden wir uns mit Untersuchungen der Ablation der Oberfläche von Telluritglas mit einem Gemisch aus Er ₂ O ₃ durch einen Femtosekundenlaser vertraut machen. Welche Eigenschaften haben die „Teilnehmer“ der Experimente und welche Ergebnisse haben Wissenschaftler erzielt? Wir werden im Bericht der Forscher nach Antworten suchen. Lass uns gehen.

Die Essenz der Studie

Forscher der University of Leeds (UK) führten Laseruntersuchungen an einer ungewöhnlichen Glasart durch, die ein hervorragendes Material für Breitband-Flachwellenleiterverstärker sein kann. Das Material wurde durch Legieren von * Erbium * -Substanzen aus Zink, Natrium und Tellur erhalten.

Dotierung * - Zugabe einer kleinen Menge Verunreinigungen (in diesem Fall Erbium), um die chemischen und / oder physikalischen Eigenschaften des Materials zu ändern. Das Hinzufügen von Verunreinigungen zu einem Halbleiter hilft, seine elektrischen Eigenschaften zu ändern.

Erbium * ist ein Seltenerdelement, das in Netzwerktechnologien als Beimischung bei der Erzeugung von Lichtwellenleitern verwendet wird, um eine Signalregeneration bei der Übertragung über große Entfernungen zu erreichen, wenn die Verwendung von Umwandlungsstationen unmöglich ist (z. B. beim Verlegen einer Spur unter Wasser).

Dotierstoff * - eine Verunreinigung, die die elektrische oder optische Leitfähigkeit eines Materials erhöht. In diesem Fall ist es Erbium.

Erbium-dotierte Wellenleiterverstärker sind in den letzten Jahren nicht neu. Bereits in den 90er Jahren wurde die Entwicklung und Erforschung dieser Technologie weltweit durchgeführt. Den Forschern zufolge verwendeten sie genau diesen Verstärkertyp, da der elektronische Übergang * für Erbium bei derselben Wellenlänge (1,5 Mikrometer) wie bei modernen Netzwerktechnologien erfolgt.

Elektronischer Übergang * - der Übergang eines Elektrons innerhalb eines Moleküls von einem Energieniveau zu einem höheren.

Unter anderem verwendeten die Forscher eine ultraschnelle Laserplasmaablation: Ein hochintensiver Laser wird auf die Oberfläche eines Erbium-dotierten Glases gerichtet; Ein Laserstrahl durchbohrt kleine Trichter (Tröge) auf der Oberfläche des Glases, was zur Bildung eines dünnen Films aus dem Material führt, das während der Bildung der Trichter erzeugt wird. Ein primitives, aber immer noch ein Beispiel: Nachdem eine Granate den Boden berührt hat, bildet sich ein Trichter, und die Erde schläft rund um den Aufprallpunkt ein.

Zum Zeitpunkt der Bildung der Trichter konzentrierten sich die Forscher auf die Schwelle für die Ablation * von Glas. Die Beziehungen zwischen der Ablationsschwelle und dem Durchmesser des Laserstrahls, der Anzahl der Impulse und der Erbiumkonzentration im Bereich des Laseraufpralls wurden ebenfalls aufgedeckt.

Die Ablation * ist eine Methode zum Entfernen einer Substanz von einer Oberfläche durch einen Laserpuls.

Visualisierung des Laserablationsprozesses. Wir sehen auch die Bildung eines Trichters

Die gebildeten Trichter wurden ebenfalls eingehend untersucht, da ihre Morphologie den Forschern Aufschluss darüber geben kann, wie die Porosität des Materials und seine Fähigkeit, Licht zu absorbieren und zu streuen, besser kontrolliert werden können.

Vorbereitung des Prototyps

Die experimentellen Glasproben bestehen aus (80-x) TeO ₂ –10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , wobei:

• x ist in verschiedenen Proben gleich 0,00, 0,25, 0,50, 0,75, 1,00, 1,25, 1,50 Mol-% * ;
• TeO ₂ - Tellurdioxid;
• ZnO - Zinkoxid;
• Na ₂ O - Natriumoxid;
• Er ₂ O ₃ ist Erbiumoxid.

Molprozent * - entspricht einem Mol eines Bruchteils mal 100, wodurch gezeigt wird, wie viele Mol einer Substanz in 100 Mol einer Lösung enthalten sind.

Diese Chemikalien sind analytische Reagenzien und haben eine Reinheit von mehr als 99,99%. Glas wurde auf übliche Weise durch Schmelzen und Tempern synthetisiert. Mit anderen Worten, die Basis dieser Substanz ist Telluritglas (im Folgenden einfach TZN ), das in seiner Zusammensetzung Tellurdioxid enthalten sollte, wie wir aus der obigen Formel sehen.

Nach der Bestimmung der Molmasse jeder der beteiligten chemischen Verbindungen wurden die Substanzen unter Verwendung eines Marmormörsers und eines Stößels zu feinem Pulver gemahlen.

Dann wurde ein Goldtiegel * mit einem Prototypglas 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 875ºC in einen Ofen gestellt.

Tiegel * - ein Behälter zum Brennen, Schmelzen, Trocknen oder Erhitzen verschiedener Materialien. Bei der Herstellung des Tiegels sind Feuerbeständigkeit und Beständigkeit gegen verschiedene Arten von Stößen wichtig. In diesem Fall wird ein Goldtiegel verwendet, da er sich hervorragend für hochpräzise chemische Arbeiten eignet.

Gleichzeitig wurde die Sauerstoffzufuhr auf 1-2 l / min reduziert, um Dampf aus der Ofenkammer zu entfernen und einen niedrigen OH ^- Glasgehalt aufrechtzuerhalten.

Dann wurde die Schmelze in eine vorgewärmte Form von Messing gegossen und in einen Ofen überführt, wo bei einer Temperatur von 295ºC 4 Stunden lang gearbeitet wurde. Diese Stufe war notwendig, um thermische und mechanische Verformungen zu beseitigen. Die fertige Probe wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ° C / min auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die letzte Stufe der Herstellung: Die Proben wurden in Stücke der Größe 30h30h3 nm ³ geschnitten und poliert, um optische Qualität zu erreichen.

Wie Sie sehen, war der gesamte Herstellungsprozess des Testglases sehr zeitaufwändig und mit sehr genauen Messungen sowohl der Molmasse der Bestandteile als auch der Temperaturen verbunden, bei denen die Vorgänge durchgeführt wurden. Nun wenden wir uns der Suche nach der Antwort auf die Frage zu: Ist das Spiel die Kerze wert? Mit anderen Worten, welche Ergebnisse zeigt eine so schwer herzustellende Substanz?

Optische Eigenschaften von Proben

Röntgenaufnahmen zeigten, dass die Proben amorph sind. Die Einführung von 1,5 Mol-% Er ₂ O ₃ in die Zusammensetzung der Probe erhöhte ihre Dichte von 5,18 auf 5,27 g / cm ³ . Dieser Anstieg ist gerechtfertigt, indem TeO ₂ durch Er ₂ O _{3 ersetzt wird} , das ein höheres Molekulargewicht aufweist. Der Brechungsindex von Telluritglas beträgt 2,048. Und eine Zunahme der Anzahl von Er ³⁺ -Ionen führte dazu, dass die Probe dunkelrosa wurde (bevor sie transparent war), was mit dem Übergang von Elektronen in einen angeregten Zustand verbunden ist.


Zeitplan Nr. 1

Die obige Grafik zeigt das Absorptionsspektrum der nach der Formel berechneten Proben:

α (ν) = A / L , wobei

L ist die Dicke der Probe;
A ist die vom Spektrometer gemessene Extinktion.

TZN zeigt eine unaussprechliche Absorption von etwa 0,11 cm & supmin; ¹ nach dem Rand der * UV- Absorptionsbande bei 387 nm.

Der Rand des Absorptionsbandes * ist ein Indikator für die Strahlungsenergie, ab der die Absorption dieser Strahlung durch eine Substanz stark zunimmt.

Wenn wir einen Dotierstoff in Form von Er ³⁺ -Ionen hinzufügen, werden 11 merkliche Übergänge vom Grundzustand ( ⁴ I _15/2 ) zu verschiedenen angeregten beobachtet:

⁴ I _13/2 , ⁴ I _11/2 , ⁴ I _9/2 , ⁴ F _9/2 , ⁴ S _3/2 , ² H _11/2 , ⁴ F _7/2 , ⁴ F _5/2 , ⁴ F. _3/2 , ² H _9/2 , ⁴ G _11/2

von denen jede einer Wellenlänge entsprach:

1531 (mit einem kleinen Sprung von 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 und 380 nm.

Die Energieniveaus des Er ³⁺ -Ions in der Probe werden aufgrund des Stark-Effekts * geteilt .

Der Stark-Effekt * ist die Verschiebung und Aufteilung des Zustands des elektronischen Teilsystems eines Ions, das das Energieniveau in einem externen elektrischen Feld bestimmt.

Bei einer anderen Dotierstoffkonzentration zeigten die Proben ähnliche Ergebnisse, wenn die Peaks mit zunehmender Konzentration von Er ³⁺ -Ionen im Glas zunahmen.

Trichtermorphologie

Um alle Eigenschaften der Probe zu verstehen, müssen die darauf gebildeten Trichter beachtet werden.


Bild Nr. 2: Trichter und ihre Eigenschaften

Bild 2a zeigt Trichterbilder, die mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommen wurden. Jeder Trichter wurde durch einen einzelnen Laserpuls mit einer Leistung von 36,4, 56,8 und 88,4 μJ (Mikrojoule, 1 μJ = 10 ^–6 J) gebildet. Die Größe des Impulsexpositionspunktes betrug 32,0 µm.

Wie aus der Vergleichsgrafik unter den Bildern ersichtlich ist, ist das Profil jedes Trichters eher klein. Bei einer niedrigen Pulsleistung nehmen die Trichter eine zylindrische Form an, wenn die Fluenz * J 2 J / cm ² beträgt. Mit einer weiteren Erhöhung der Fluenz gehen die Trichter in das Gaußsche Profil über.


Ein Schnappschuss der Probe mit sichtbaren Trichtern

Fluenz * - Zeitintegral der Partikelflussdichte oder -energie.

Um die Trichter herum stehen hervorstehende Kanten mit einer Höhe von 20 bis 50 nm. Mit zunehmender Laserfluenz nimmt auch die Höhe der Kanten zu. Unter anderem wurden radiale Ausbrüche festgestellt. Ähnliche Merkmale sind auf die Bildung eines dünnen geschmolzenen Bereichs unter der Ablationszone und den durch Plasma erzeugten Fluss zurückzuführen. Das heißt, bei einer geringen Laserfluenz kann der Plasmadruck zu niedrig sein, um geschmolzenes Material aus dem Trichter freizusetzen. Infolge solcher Faktoren tritt eine erneute Aushärtung auf, die zur Bildung eines flachen Bodens des Trichters führt.

Ein ähnlicher Effekt ist bei Telluritglas aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur * im Vergleich zu anderen Glasarten stärker.

Glasübergangstemperatur * - Die Temperatur, bei der die kristallisierende Substanz in einen glasigen Zustand übergeht.

2b sind Fotografien eines Differentialinterferenzkontrastmikroskops, in dem Trichter mit einer Laserpulsleistung von 45,8 μJ, der Größe des Belichtungspunkts von 13,9 μm und einer unterschiedlichen Anzahl von Impulsen gebildet werden.


Bild Nr. 3

Das Bild oben zeigt die Bilder von Trichtern mit unterschiedlichen Laserfluenzen und der Anzahl der Laserpulse von 10 bis 32.

Die Bestrahlung von 32 Impulsen, die nahe genug an der Ablationsschwelle liegt, führt zur Bildung einer wellenförmigen Oberfläche des Trichters ( 3d ), die sich bei 10 Impulsen ( 3a ) nicht auf der Probe befindet.

Solche "Wellen" waren am deutlichsten und homogensten, wenn die Fluenz weniger als fünfmal höher war als die Schwelle der Pulsablation (0,85 J / cm²). Die Wellenfrequenz betrug 1,4 μm, was mehr als die einfallende Wellenlänge ist.

Auf 3e und 3f können Sie die Unregelmäßigkeiten des Kreises und die Glätte in der Mitte des Trichters sehen, wo der Gaußsche Strahl eine geringere Fluenz hatte. Wenn die Fluenz noch größer ist, wird ein Säulenbereich ( 3f ) gebildet.

Dotierstoff Er ³⁺ Ion

Messungen der Ablationsschwelle der Probe unter Zusatz von Er ³⁺ -Ionen und der Größe des Laserbestrahlungsbereichs von 13,9 μm zeigten keine signifikanten Änderungen bei Änderung der Dotierstoffkonzentration.

Um der abgeleiteten Ablationsformel zu entsprechen, die für eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen unverändert bleibt, waren der Mittelwert und die Standardabweichung der Parameter für alle Proben wie folgt:

F _th (1) = 0,51 ± 0,03 J / cm ² ;
F _th (∞) = 0,18 ± 0,01 J / cm ² ;
k = 0,053 ± 0,009.

F _th (N) = F _th (∞) + [F _th (1) - F _th (∞)] e- ^{k (N-1)} , wobei

F _th ist die Ablationsschwelle;
N ist die Anzahl der Impulse pro Belichtungspunkt;
k ist ein Parameter, der die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich die Fluenzschwelle einem unendlichen Impulswert nähert;

Solche Indikatoren werden aus folgenden Gründen erwartet, wenn die Dotierstoffkonzentration niedrig ist:

• Die Femtosekundenlaserablation ist aufgrund des hochintensiven Laserfeldes mit kurzer Pulsdauer ein nichtlinearer Prozess. Aus diesem Grund ist die Größe der verbotenen Zone * einer der Hauptparameter, die diesen Prozess beschreiben. Und es änderte sich in keiner Weise mit zunehmender Konzentration von Er ³⁺ -Ionen;
• bei der maximalen Dotierstoffkonzentration (1,5 Mol-%) stieg die lineare Absorption der Probe von 0,11 cm ^& supmin; ^¹ auf 0,85 cm ^& supmin; ^¹ . Der Absorptionskoeffizient für einen nichtlinearen Prozess beträgt 5,4104 cm ^–1 , was 5 Größenordnungen mehr ist, wenn der Prozess linear ist, was auf das Fehlen desselben in der Probe hinweist.
• Physikalische Änderungen der Parameter des Glases (Dichte, Brechungsindex und Schmelzpunkt) sind bei einer niedrigen Dotierstoffkonzentration unbedeutend. Infolgedessen ändert sich die Ablationsschwelle nicht.

Die verbotene Zone * ist der Bereich von Energiewerten, den ein Elektron in einem idealen Kristallkörper nicht besitzen kann.

Zusammenfassung

Die Forscher konnten die Eigenschaften von mit Er ₂ O ₃ gemischtem Telluritglas unter dem Einfluss von Femtosekundenlaserstrahlung analysieren. Die Bandlücke der Probe betrug 3,276 eV (Elektronenvolt), was zweimal höher ist als die Photonenenergie des Lasers (1,55 eV oder 800 nm). Das Profil der durch Laserpulse erzeugten Trichter hängt direkt von der angelegten Fluenz und der Anzahl der Impulse ab. Wenn die Fluenz unter dem Durchschnitt liegt (2 J / cm ² ), sind die Trichter zylindrisch. Wenn die Fluenz über dem Durchschnitt liegt, erhalten die Trichter die Merkmale eines Gaußschen Profils. Die Fluenz und die Anzahl der Impulse bestimmen, ob die Probe nanomikro- oder makrostrukturiert ist. Die Frequenz der "Wellen" auf der Probenoberfläche betrug 1,4 μm, wenn mehrere Impulse nahe der Ablationsschwelle angelegt wurden.

Messungen der Durchmesser der Trichter bei verschiedenen Fluenzen zeigten eine Einzelpulsablationsschwelle von 0,51 J / cm ² für einen Durchmesser von 13,9 μm und 0,32 J / cm ² für einen Durchmesser von 32,0 μm. Die Ablationsschwelle für mehrere Impulse wurde nach Anlegen von etwa 50 Impulsen erfasst und entsprach 40% der Schwelle für einen einzelnen Impuls.

Es wurde auch gefunden, dass die Ablationsschwelle mit zunehmendem Durchmesser des Expositionspunkts gegenüber Laserstrahlung aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass der Laserstrahl die Probe beschädigen kann, abnimmt.

Mit einer Erhöhung der Konzentration der Er ₂ O ₃ -Verunreinigung auf 1,5 Mol-% änderte sich die Ablationsschwelle nicht. Die Menge an entferntem Material bei einer Einheit der angelegten Energie betrug 6,8 & mgr; m ³ / & mgr; J bei einer Fluenz von 2 J / cm ² . Dieser Indikator nahm linear ab.

Eine Abnahme der Ablationseffizienz mit zunehmender Fluenz kann mit einer Zunahme des Reflexionsvermögens der Probenoberfläche verbunden sein.

Um die Details der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen dringend, sich mit dem Bericht von Wissenschaftlern vertraut zu machen.

Nachwort

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